CN113833449B - 一种煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统及方法，包括孔内参数监测单元，用于用于实时监测钻孔的倾角、方位角、工具面向角、钻杆内气流温度以及钻杆外气流温度；进风参数监测单元，用于实时监测向钻孔内输入的气流的流量、压力和温度；返风参数监测单元，用于实时监测从钻孔内返出的气流的温度、流量、一氧化碳浓度、甲烷浓度、粉尘浓度；压风冷却单元，用于对进风管路上的进风气流进行降温；瓦斯抽吸单元，用于抽吸返风管路上的返风气流；本发明使煤矿井下定向钻进的工程参数可知、施工状态可控、钻孔轨迹可调，为煤矿井下空气定向钻进施工和轨迹调控提供了决策依据，保障了钻孔施工安全性。经现场使用发现，显著降低了安全事故。
Description
技术领域
本发明属于煤矿井下钻进监控技术领域，具体涉及一种煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统及方法。
背景技术
瓦斯是煤炭开采的主要致灾隐患之一，钻孔是进行煤层瓦斯抽采的重要技术手段。根据钻孔施工时循环排渣介质的不同，煤矿井下坑道钻进可分为干式钻进、空气钻进和清水钻进等三类，其中干式钻进和空气钻进主要适用于碎软煤层，清水钻进主要适用于中硬煤层和岩层。受我国煤层赋存复杂地质条件影响，碎软煤层分布广泛，空气钻进技术在国内大多数煤矿均有应用，近年来，更是开发了以空气螺杆马达为核心钻具的空气定向钻进技术装备，进一步提高了碎软煤层瓦斯抽采钻孔的成孔深度和轨迹控制精度。
但是由于空气钻进的自身特性，其存在的钻进安全风险远大于清水钻进，具体体现在以下方面：①孔内着火风险。温度、一氧化碳浓度和氧气是煤层着火的重要影响因素。空气钻进时气体受体积压缩生热影响，温度可达到80℃以上，而空气的冷却润滑效果较差，钻进过程中受钻头、钻杆与孔底和孔壁地层摩擦生热影响，极易产生高温；同时空气钻进时向钻孔供入大量氧气，使煤层容易氧化并生成一氧化碳，进一步增加了孔内着火风险。②瓦斯超限风险。空气钻进对碎软煤层孔壁的冲刷和扰动较小，孔内为气固两相流，瓦斯的解吸释放通道顺畅，减少了瓦斯喷孔的风险，但煤层瓦斯解吸释放后将随循环空气排出孔外，极易带来瓦斯浓度超限的安全问题。③安全钻进问题。碎软煤层易坍塌卡钻，导致循环空气流通道路易堵塞，此时供风流量、供风压力和返风流量将出现异常，盲目钻进存在重大安全隐患。④粉尘治理问题。空气定向钻进供风量大，孔口粉尘多、颗粒分布范围广、处理量大，对除尘装置的除尘能力要求较高，当除尘效果达不到要求时，既严重危害施工人员人身健康，又可能造成粉尘燃烧或爆炸。⑤轨迹精准控制问题。空气定向钻进主要用于碎软煤层顺层施工，其硬度系数小，造斜率低，钻孔轨迹调控难度大，应实时监控钻孔轨迹变化，及时调整空气螺杆马达的造斜工具面向角，确保轨迹调控精度满足生产需要。但是目前煤矿井下缺乏与空气定向钻进配套的随钻监控系统，对瓦斯抽采钻孔的施工安全保障不够。
为此，本发明的设计者针对研究设计出一种煤矿井下空气定向钻进用随钻监控系统及方法，以克服上述缺陷。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种煤矿井下空气定向钻进用随钻监控系统及方法，对空气定向钻进存在的孔内着火、瓦斯超限、安全钻进、粉尘治理、轨迹精准控制等风险和问题进行控制，解决目前煤矿井下碎软煤层空气定向钻进过程和安全风险控制缺乏有效监测控制的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统，包括孔内参数监测单元、进风参数监测单元、返风参数监测单元、压风冷却单元、瓦斯抽吸单元和控制单元；
所述孔内参数监测单元用于实时监测钻孔的倾角、方位角、工具面向角、钻杆内气流温度以及钻杆外气流温度；
所述进风参数监测单元用于实时监测向钻孔内输入的气流的流量、压力和温度；
所述返风参数监测单元用于实时监测从钻孔内返出的气流的温度、流量、一氧化碳浓度、甲烷浓度、粉尘浓度；
所述压风冷却单元用于对进风管路上的进风气流进行降温；所述瓦斯抽吸单元用于抽吸返风管路上的返风气流；
所述控制单元的输入端分别连接孔内参数监测单元、进风参数监测单元和返风参数监测单元，控制单元的输出端分别连接压风冷却单元和瓦斯抽吸单元，所述控制单元用于根据孔内参数监测单元、进风参数监测单元、返风参数监测单元反馈的参数结果来控制压风冷却单元和瓦斯抽吸单元的启停。
可选的，所述孔内参数监测单元包括外管、仪器管、连接在仪器管两端的第一接头和第二接头、信号传输接头；所述仪器管通过第一接头和第二接头固定在外管内；所述仪器管内设置有倾角传感器、方位角传感器、工具面向角传感器、第一温度传感器、孔内参数采集模块和孔内信号传输模块；
所述第一接头上设置有第一过线孔和第一过气通道，所述信号传输接头与第一过线孔连接；所述第二接头上设置有第二过线孔和第二过气通道；
所述外管外壁上设置有用于放置第二温度传感器的传感器仓，所述第二温度传感器用于监测钻杆外气流温度，所述传感器仓与第二过线孔连通；
所述仪器管外壁与外管内壁之间的间隙、第一过气通道、第二过气通道形成供气体流动的过气通道；
所述外管两端分别设置有用于与气动螺杆马达、有线随钻测量钻杆连接的接头。
可选的，所述进风参数监测单元设置在进风管路上；所述进风参数监测单元包括第一管体、第一采集器仓、第一流量传感器、压力传感器、第三温度传感器；所述第一管体上设置有多个安装接口，分别用于连接第一流量传感器、压力传感器、第三温度传感器；所述第一采集器仓设置在第一管体外壁上，第一采集器仓内设置有进风参数采集模块和进风参数信号传输模块，所述进风参数采集模块分别连接第一流量传感器、压力传感器、第三温度传感器。
可选的，所述返风参数监测单元设置在返风管路上；所述返风参数监测单元包括第二管体、第二采集器仓、一氧化碳浓度传感器、甲烷浓度传感器、第二流量传感器、第四温度传感器；所述第二管体上设置有多个安装口，分别用于连接一氧化碳浓度传感器、甲烷浓度传感器、第二流量传感器、第四温度传感器；所述第二采集器仓设置在第二管体外壁上，第二采集器仓内设置有返风参数采集模块和返风参数信号传输模块，所述返风参数采集模块分别连接一氧化碳浓度传感器、甲烷浓度传感器、第二流量传感器、第四温度传感器。
进一步的，所述返风参数监测单元还包括粉尘传感器和喷淋除尘装置，所述粉尘传感器用于对返风中的粉尘进行监测。
可选的，所述压风冷却单元包括风筒、换热器、风扇叶轮和带动风扇叶轮转动的动力系统；所述换热器设置在风筒一端，换热器上设置有供进风气流流入、流出的进口和出口；所述风扇叶轮设置在换热器附近的风筒内。
可选的，所述控制单元包括主控板；信号隔离模块，用于对接收的信号进行隔离；恒压供电模块，用于为孔内参数监测单元供电；信号载波模块，用于给孔内参数监测单元发送信号；信号提取解调模块，用于对孔内参数监测单元发送过来的信号进行提取；无线通讯接口，用于接收进风参数监测单元和返风参数监测单元发送的测量数据；有线通讯接口，用于与压风冷却单元、瓦斯抽吸单元采用信号电缆连接；供电通讯接口，用于接收孔内参数监测单元发送的数据；存储器。
进一步的，本发明的监控系统还包括应急处理单元，所述应急处理单元设置在进风管路上，用于对进风管路上的气流进行卸压和水雾降温；所述应急处理单元与控制单元连接，控制单元控制应急处理单元的启动和关闭。
可选的，所述应急处理单元包括第三管体、安全阀和雾化器，所述第三管体上设置有多个安装口，分别用于安装安全阀和雾化器。
进一步的，本发明的监控系统还包括报警器，报警器与控制单元连接，控制单元控制报警器发出警报。
本发明还公开了一种煤矿井下气体定向钻进用随钻监控方法，该方法采用本发明所述的煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统，具体包括以下步骤：
步骤1，将孔内参数监测单元与气动螺杆马达连接，进风参数监测单元、压风冷却单元连接在进风管路上，返风参数监测单元、瓦斯抽吸单元连接在返风管路上；
步骤2，开风进行定向钻进，钻进过程中通过孔内参数监测单元、进风参数监测单元、返风参数监测单元对各参数实时采集；
当进风参数监测单元监测的进风流量低于设定值Q1或进风温度高于设定值T1时，停止钻进，检修高压供风装置；
当孔内参数监测单元监测的钻杆内气流温度大于设定值T2时，控制单元控制压风冷却单元启动，对进风管路上的进风气流进行降温；
当返风参数监测单元监测的返风流量低于进风参数监测单元监测的进风流量的80%时，停止钻进，加强钻孔排渣；
当返风参数监测单元监测的甲烷浓度大于设定值C1时，停止钻进，控制单元控制瓦斯抽吸单元打开，抽走返风气体；
当单根钻杆施工完后，停止钻进和供风，利用孔内参数监测单元监测钻孔的倾角、方位角和工具面向角，指导钻孔轨迹调整，直至完成钻孔施工。
优选的，所述Q1=15m³/min，T1=85℃，T2=50℃，C1=0.8%。
进一步的，所述煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统还设置有本发明所述的应急处理单元，所述监控方法还包括：
当进风参数监测装置测量的进风压力高于高压供风系统的最大耐压能力时，应急处理单元对供风气流进行卸压，并停止钻进，检修高压供风装置；
当孔内参数监测单元监测的钻杆外气流温度大于设定值T3或返风参数监测单元监测的一氧化碳浓度高于设定值C2时，停止钻进，控制单元控制应急处理单元启动，对供风气流进行水雾降温。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的监控系统和监控方法可实时监测钻杆内气流温度、钻杆外气流温度、进风气流温度、返风一氧化碳浓度、返风温度等参数，并利用压风冷却单元、应急处理单元等进行异常识别及处理，避免煤层氧化、温度过高导致的孔内着火；可实时监测甲烷浓度，并利用瓦斯抽吸单元等进行异常识别及处理，防止钻场瓦斯超限，避免发生瓦斯燃烧和爆炸事故；可实时监测钻孔倾角、方位角、工具面向角，为钻孔轨迹精确调控提供参考依据；可实时监测进风流量、进风压力、返风流量等参数，并利用应急处理单元等进行异常识别及处理，避免空气循环异常时，孔内定向钻具组合继续钻进施工，导致孔内事故发生或恶化。
从整体上，本发明的随钻监控系统检测参数全面、实时性强、功能实用，使煤矿井下定向钻进的工程参数可知、施工状态可控、钻孔轨迹可调，为煤矿井下空气定向钻进施工和轨迹调控提供了决策依据，保障了钻孔施工安全性。经现场使用发现，显著降低了安全事故。
本发明的其他优点在具体实施方式中进行详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例记载的监控系统整体示意图。
图2是本发明实施例记载的孔内参数监测单元的结构示意图。
图3是本发明实施例记载的孔内参数监测单元的第一接头锁紧母的正视图（a）和侧视图（b）。
图4是本发明实施例记载的孔内参数监测单元的第一接头圆柱体的示意图。
图5是本发明实施例记载的孔内参数监测单元的第二接头的正视图（a）和侧视图（b）。
图6是本发明实施例记载的进风参数监测单元的结构示意图。
图7是本发明实施例记载的返风参数监测单元的结构示意图。
图8是本发明实施例记载的压风冷却单元的结构示意图。
图9是本发明实施例记载的应急处理单元的结构示意图。
图10是本发明实施例记载的控制单元组成模块图。
图中各标号说明：
1-孔内参数监测单元，2-进风参数监测单元，3-返风参数监测单元，4-压风冷却单元，5-瓦斯抽吸单元，6-应急处理单元，7-报警器，8-控制单元，9-进风管路，10-返风管路，11-气动螺杆马达，12-有线随钻测量钻杆，13-废气净化处理装置，14-喷淋除尘装置，15-废气收集装置，16-高压供风装置；
101-外管，102-仪器管，103-第一接头，104-第二接头，105-信号传输接头，106-倾角传感器，107-方位角传感器，108-工具面向角传感器，109-第一温度传感器，110-孔内参数采集模块，111-孔内信号传输模块，112-第一过线孔，113-第一过气通道，114-锁紧母，115-圆柱体，116-螺钉，117-轴向光孔，118-第二过线孔，119-第二过气通道，120-第二温度传感器，121-传感器仓，122-径向孔，123-密封圈，124-凸起块，125-轴向螺纹孔；
201-第一管体，202-第一采集器仓，203-第一流量传感器，204-压力传感器，205-第三温度传感器，206-进风参数采集模块，207-进风参数信号传输模块；
301-第二管体，302-第二采集器仓，303-一氧化碳浓度传感器，304-甲烷浓度传感器，305-第二流量传感器，306-第四温度传感器，307-返风参数采集模块，308-返风参数信号传输模块，309-粉尘传感器；
401-风筒，402-换热器，403-风扇叶轮，404-动力系统，405-气马达，406-传动装置，407-支架，408-进风口，409-高压胶管，410-第一电磁阀，411-防护网；
601-第三管体，602-安全阀，603-雾化器，604-消音器，605-第二电磁阀。
801-主控板，802-信号隔离模块，803-恒压供电模块，804-信号载波模块，805-信号提取解调模块，806-无线通讯接口，807-有线通讯接口，808-供电通讯接口，809-存储器，810-触摸屏，811-电源模块。
具体实施方式
本发明的“钻杆内气流的温度”是指经过钻杆内流道的钻进气流温度，“钻杆外气流温度”是指钻杆与钻孔孔壁之间的流通内的气流温度；
本发明的“进风管路”是指连接在钻具和高压供风装置16（如空压机）之间的管路，用于向钻具供风；“返风管路”是指供从钻具内返出的气流流动的管路。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、底、顶”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指以相应附图的轮廓为基准定义的，“前方、后方”是指以气体流动方向为基准定义的。
本发明并不局限于以下具体实施例，在下述具体实施例中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本发明的思想，同样应当视其为本发明所公开的内容。
实施例1
本实施例公开了一种煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统，如图1所示，该监控系统包括孔内参数监测单元1、进风参数监测单元2、返风参数监测单元3、压风冷却单元4、瓦斯抽吸单元5和控制单元8。
其中，孔内参数监测单元1用于实时监测钻孔的倾角、方位角、工具面向角、钻杆内气流温度以及钻杆外气流温度。本实施例的孔内参数监测单元1设置在空气定向钻进钻具的气动螺杆马达11和有线随钻测量钻杆12之间。
具体的，如图2所示，本实施例的孔内参数监测单元1包括外管101、仪器管102、连接在仪器管102两端的第一接头103和第二接头104、信号传输接头105；外管101为无磁管，信号传输接头105用于与有线随钻测量钻杆的信号传输内芯连接；信号传输接头105、仪器管102、第一接头103和第二接头104均设置在外管101内，仪器管102通过第一接头103和第二接头104固定在外管101内，仪器管102外壁与外管101内壁之间的间隙，作为过气通道。仪器管102内设置有倾角传感器106、方位角传感器107、工具面向角传感器108、第一温度传感器109、孔内参数采集模块110和孔内信号传输模块111。倾角传感器106、方位角传感器107、工具面向角传感器108、第一温度传感器109分别用于测量钻孔的倾角、方位角、工具面向角、钻杆内气流温度，孔内参数采集模块110分别连接倾角传感器106、方位角传感器107、工具面向角108、第一温度传感器109，采集各传感器检测的数值，并通过信号传输模块111传输。孔内参数采集模块110将测量数据编码后，由信号传输模块111载波在供电电压上，通过信号传输接头105和有线随钻测量钻杆12传输至孔口，由控制单元8进行解码显示。
第一接头103上设置有第一过线孔112和第一过气通道113，第一过线孔112用于穿过信号线，第一过气通道113用于外管101内气体的流通，信号传输接头105与第一过线孔112连接。具体的，第一接头103为锁紧母114和圆柱体115通过螺钉116装配而成的T型柱，如图3所示，锁紧母114中心设置有供信号传输接头105插入的轴向孔，圆柱体115轴心设置有第一过线孔112。外管101的内壁上设置有与T型柱匹配的台阶面，其中锁紧母114与外管101的内壁面通过螺纹连接，锁紧母114上设置有沿其轴向贯通的过气通道A和供螺钉116插入的轴向光孔117，过气通道A与轴向光孔117间隔设置。圆柱体115的直径小于外管101的内径，在圆柱体115柱面上设置有几个凸起块124，如图4所示，本实施例的凸起块124为两个，凸起块124上设置有与轴向光孔116对应的轴向螺纹孔125，用于螺钉116插入，凸起块124的外侧面与外管101的内壁面之前设置有装配间隙；相邻凸起块124、外管101内壁面、圆柱体115柱面之间就形成供外管内气体流动的过气通道B，过气通道A和过气通道B形成第一过气通道113。
第二接头104上设置有第二过线孔118和第二过气通道119，第二过线孔118用于穿过信号线，第二过气通道119用于外管101内气体的流通。如图5所示，第二接头104为圆柱体，第二接头104上围绕第二过线孔118设置有第二过气通道119，第二过气通道119沿轴向贯通。
外管101外壁上设置有用于放置第二温度传感器120的传感器仓121，第二温度传感器120用于监测钻杆外气流温度，传感器仓121与第二过线孔118连通。具体的，外管101外壁上向内形成一凹槽，凹槽顶部设置盖板，形成传感器仓121，凹槽内安装有第二温度传感器120，凹槽底部设置有孔，第二接头104沿径向设置有与凹槽底部的孔连通的径向孔122，凹槽底部的孔与径向孔122连通，第二接头104轴心位置设置有第二过线孔118，第二过线孔118为盲孔，通过径向孔112将第二过线孔118与凹槽底部的孔导通，用于第二温度传感器120的信号线走线。第二过气通道119与径向孔122围绕第二接头104圆周面间隔设置，如图5的b所示。另外，在圆柱体与外管101内壁的接触面处设置有密封圈123，用于密封第二温度传感器120的走线孔。
仪器管102外壁与外管101内壁之间的间隙、第一过气通道113、第二过气通道119沿外管101轴向形成供气体流动的过气通道。
在外管101两端分别设置有用于与气动螺杆马达11、有线随钻测量钻杆12连接的接头，具体为螺纹接头，将孔内参数监测单元1设置在气动螺杆马达11和有线随钻测量钻杆12之间。
进风参数监测单元2用于实时监测向钻孔内输入的气流的流量、压力和温度。具体的，本实施例的进风参数监测单元2设置在进风管路9上。进风参数监测单元2包括第一管体201、第一采集器仓202、第一流量传感器203、压力传感器204、第三温度传感器205，第一管体201上设置有多个安装接口，分别用于连接第一流量传感器203、压力传感器204、第三温度传感器205，第一管体两端均设置有法兰，用于与进风管路9连接。第一采集器仓202设置在第一管体201外壁上，第一采集器仓202内设置有进风参数采集模块206和进风参数信号传输模块207，所述进风参数采集模块206分别连接第一流量传感器203、压力传感器204、第三温度传感器205。
返风参数监测单元3用于实时监测从钻孔内返出的气流的温度、流量、一氧化碳浓度、甲烷浓度、粉尘浓度。具体的，返风参数监测单元3设置在返风管路10上。如图7所示，返风参数监测单元3包括第二管体301、第二采集器仓302、一氧化碳浓度传感器303、甲烷浓度传感器304、第二流量传感器305、第四温度传感器306。第二管体301上设置有多个安装口，分别用于连接一氧化碳浓度传感器303、甲烷浓度传感器304、第二流量传感器305、第四温度传感器306，第二管体301两端设置有与返风管路10连接的法兰。第二采集器仓302设置在第二管体301外壁上，第二采集器仓302内设置有返风参数采集模块307和返风参数信号传输模块308，返风参数采集模块307分别连接一氧化碳浓度传感器303、甲烷浓度传感器304、第二流量传感器305、第四温度传感器306。
本实施例在返风管路10上设置有废气净化处理装置13，用于对返风气体进行净化处理，返风参数监测单元3设置在废气净化处理装置13前方，返风气体经过返风参数监测单元3后再进入废气净化处理装置13。
压风冷却单元4用于对进风管路9上的进风气流进行降温。具体的，本实施例的设置在进风参数监测单元2的前方，即高压供风装置16产生的高压风先经过压风冷却单元4后再进入进风参数监测单元2。
如图8所示，本实施例的压风冷却单元4包括风筒401、换热器402、风扇叶轮403和带动风扇叶轮403转动的动力系统404；换热器402设置在风筒401一端，换热器402上设置有供进风气流流入、流出的进口和出口，风扇叶轮403设置在换热器402附近的风筒401内，为换热器402提供换热风。本实施例的动力系统404包括气马达405和传动装置406，气马达405和风扇叶轮403分别连接在传动装置406两端，气马达405和传动装置406通过支架407支撑在风筒401内。风筒401上设置有进风口408，进风口408通过高压胶管409与气马达405连接，用于给气马达405提供其转动的高压风，进风口408连接有第一电磁阀410，第一电磁阀410控制线与控制单元8的有线通讯口连接。风筒401一端安装换热器402，另一端安装有防护网411，换热器402为目前常见的换热管，换热器402上的进口和出口设置在风筒外侧。
瓦斯抽吸单元5用于抽吸返风管路10上的返风气流，瓦斯抽吸单元5设置在返风管路10上，具体位于废气净化处理装置13后方。
本实施例的钻孔井口设置有废气收集装置15，返风管路10连接在废气收集装置15上，返风经废气收集装置15收集后进入返风管路10中。
控制单元8的输入端分别连接孔内参数监测单元1、进风参数监测单元2和返风参数监测单元3，控制单元8的输出端分别连接压风冷却单元4和瓦斯抽吸单元5，控制单元8用于根据孔内参数监测单元1、进风参数监测单元2、返风参数监测单元3反馈的参数结果来控制压风冷却单元4和瓦斯抽吸单元5的启停。
具体的，如图10所示，本实施例的控制单元8包括主控板801；信号隔离模块802，用于对接收的信号进行隔离；恒压供电模块803，用于为孔内参数监测单元1供电；信号载波模块804，用于给孔内参数监测单元1发送信号；信号提取解调模块805，用于对孔内参数监测单元1发送过来的信号进行提取；无线通讯接口806，用于接收进风参数监测单元2和返风参数监测单元3发送的测量数据；有线通讯接口807，用于与压风冷却单元4、瓦斯抽吸单元5采用信号电缆连接；供电通讯接口808，用于接收孔内参数监测单元1发送的数据，与有线随钻测量钻杆12的信号传输内芯连接；存储器809，用于存储采集的数据。主控板801、信号隔离模块802、恒压供电模块803、信号载波模块804、供电通讯接口808依次连接，信号隔离模块802、信号提取解调模块805、供电通讯接口808依次连接，存储器809与主控板801连接，无线通讯接口806、有线通讯接口807均与信号隔离模块802连接。
作为本实施例的优选实施方案，控制单元8该包括触摸屏810和电源模块811，触摸屏810、电源模块811均与主控板801连接。
作为本实施例的优选实施方案，该监控系统还包括报警器7，用于发出警报，本实施例的具体为声光报警器7，通过信号电缆与控制单元8的有线通讯接口807连接。
实施例2
本实施例公开了一种煤矿井下气体定向钻进用随钻监控方法，采用实施例1记载的煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统，该方法具体包括以下步骤：
步骤1，将孔内参数监测单元1与气动螺杆马达11连接，进风参数监测单元2、压风冷却单元4连接在进风管路9上，返风参数监测单元3、瓦斯抽吸单元5连接在返风管路10上；
步骤2，开风进行定向钻进，钻进过程中通过孔内参数监测单元1、进风参数监测单元2、返风参数监测单元3对各参数实时采集；
当进风参数监测单元2监测的进风流量低于设定值Q1或进风温度高于设定值T1时，报警器7发出警报，停止钻进，检修高压供风装置。
根据作业要求，打钻的风量最小要求不低于15 m³/min，因此本实施例的Q1=15m³/min；T1不能超过空压机的正常输出温度，本实施例中空压机的正常输出温度不超过85℃，因此T1=85℃。
当孔内参数监测单元1监测的钻杆内气流温度大于设定值T2时，报警器7发出警报，控制单元8控制压风冷却单元4启动，即控制第一电磁阀410打开，气马达405带动风扇叶轮403旋转，向换热器402吹风；对进风管路9上的进风气流进行降温。具体的，T2根据孔内仪器和定向钻具使用性能要求确定，本实施例T2=50℃。
当返风参数监测单元3监测的返风流量低于进风参数监测单元2监测的进风流量的80%（80%是具体的根据施工经验确定的）时，报警器7发出警报，停止钻进，旋转有线测量钻杆加强钻孔排渣，消除钻孔卡埋钻事故隐患；
当返风参数监测单元3监测的空气中甲烷浓度大于设定值C1时，报警器7发出警报，停止钻进，控制单元8控制瓦斯抽吸单元5打开，抽走返风气体，消除钻场瓦斯超限隐患。具体的，C1为煤矿安全要求的值，C1=0.8%。
当单根钻杆施工完后，停止钻进和供风，利用孔内参数监测单元1监测钻孔的倾角、方位角和工具面向角，指导钻孔轨迹调整，直至完成钻孔施工，具体为：
单根钻杆施工完后，停止供风，控制单元8通过有线随钻测量钻杆12为孔内参数监测单元1供电，并向孔底发送钻孔轨迹测量指令，孔内参数监测单元1进入钻孔轨迹测量模式，倾角传感器106、方位角传感器107、工具面传感器108实时监测钻孔倾角、方位角和工具面向角，并将测量数据传送给孔内参数采集模块110，孔内参数采集模块110将测量数据编码后，由孔内信号传输模块111载波在供电电压上，通过信号传输接头105和有线随钻测量钻杆12传输至孔口，由孔口的控制单元进行解码显示。
实施例3
本实施例公开了一种煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统，该系统除实施例1记载的监控系统外，还包括应急处理单元6。
应急处理单元6设置在进风管路9上，用于对进风管路9上的气流进行卸压和水雾降温，作为温度较高或一氧化碳浓度较高时的应急处理。为了避免影响进风参数监测单元2的测量结果准确性，将应急处理单元6安装在进风参数监测单元2的后方。
具体的，如图9所示，本实施例的应急处理单元6包括第三管体601、安全阀602和雾化器603，第三管体601上设置有多个安装口，分别用于安装安全阀602和雾化器603，并在安全阀602上连接有消音器604，雾化器603上连接有第二电磁阀605，第二电磁阀605与供水管网连接。将应急处理单元6的安全阀602、第二电磁阀605通过信号电缆与控制单元8的有线通讯接口807连接，通过控制单元8控制应急处理单元6的启动和关闭。
实施例4
本实施例公开了一种煤矿井下气体定向钻进用随钻监控方法，采用实施例3记载的监控系统，该监控方法除实施例1记载的方法外，还包括：
当进风参数监测装置2测量的进风压力高于高压供风系统的最大耐压能力时，报警器7发出警报，控制单元6控制应急处理单元6打开，即安全阀602卸压，高压气体从消音器604流出，停止钻进，检修高压供风装置16；
当孔内参数监测单元1监测的钻杆外气流温度大于设定值T3或返风参数监测单元3监测的一氧化碳浓度高于设定值C2时，报警器7发出警报，停止钻进，控制单元8控制应急处理单元6启动，即控制单元8控制第二电磁阀605打开，通过雾化器603向供风气流中添加雾化水，对供风气流进行水雾降温，消除孔内着火隐患。
本实施例T3根据具体的根据施工经验确定T3=100℃，C2为井下一氧化碳的允许值，根据实际工况确定。
实施例5
本实施例公开了一种煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统，该系统除实施例1记载的监控系统外，其中返风参数监测单元3还包括粉尘传感器309以及喷淋除尘装置14，如图1和图7所示，其中粉尘传感器309用于对返风中的粉尘进行监测，喷淋除尘装置14对返风中的粉尘进行喷淋，达到除尘的目的。具体的，粉尘传感器309设置在返风管路10上，本实施例的粉尘传感器309设置在废气净化处理装置13的出风口附近0.5m范围内，喷淋除尘装置14设置在废气净化装置13的出风口上方，与供水管网连接，用于辅助除尘，粉尘传感器309与控制单元8无线通讯接口806连接，喷淋除尘装置14通过信号电缆与控制单元8的有线通讯接口807连接连接，控制单元8根据粉尘传感器309监测的粉尘浓度来控制喷淋除尘装置14的启停。
实施例6
本实施例公开了一种煤矿井下气体定向钻进用随钻监控方法，采用实施例5记载的监控系统，该监控方法除实施例1记载的方法外，还包括：
当返风参数监测单元3测量的粉尘浓度大于钻场允许值时，报警器7发出警报，控制系统8控制喷淋除尘装置14打开，进行辅助除尘，改善钻场施工环境。
本发明上述实施例记载的监控系统经现场使用发现，显著降低了安全事故。
Claims (12)
1.一种煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统，其特征在于，包括孔内参数监测单元（1）、进风参数监测单元（2）、返风参数监测单元（3）、压风冷却单元（4）、瓦斯抽吸单元（5）和控制单元（8）；
所述孔内参数监测单元（1）用于实时监测钻孔的倾角、方位角、工具面向角、钻杆内气流温度以及钻杆外气流温度；
所述孔内参数监测单元（1）包括外管（101）、仪器管（102）、连接在仪器管（102）两端的第一接头（103）和第二接头（104）、信号传输接头（105）；所述仪器管（102）通过第一接头（103）和第二接头（104）固定在外管（101）内；所述仪器管（102）内设置有倾角传感器（106）、方位角传感器（107）、工具面向角传感器（108）、第一温度传感器（109）、孔内参数采集模块（110）和孔内信号传输模块（111）；
所述第一接头（103）上设置有第一过线孔（112）和第一过气通道（113），所述信号传输接头（105）与第一过线孔（112）连接；所述第二接头（104）上设置有第二过线孔（118）和第二过气通道（119）；
所述外管（101）外壁上设置有用于放置第二温度传感器（120）的传感器仓（121），所述第二温度传感器（120）用于监测钻杆外气流温度，所述传感器仓（121）与第二过线孔（118）连通；
所述仪器管（102）外壁与外管（101）内壁之间的间隙、第一过气通道（113）、第二过气通道（119）形成供气体流动的过气通道；
所述外管（101）两端分别设置有用于与气动螺杆马达（11）、有线随钻测量钻杆（12）连接的接头；
所述进风参数监测单元（2）用于实时监测向钻孔内输入的气流的流量、压力和温度；
所述返风参数监测单元（3）用于实时监测从钻孔内返出的气流的温度、流量、一氧化碳浓度、甲烷浓度、粉尘浓度；
所述压风冷却单元（4）用于对进风管路（9）上的进风气流进行降温；所述瓦斯抽吸单元（5）用于抽吸返风管路（10）上的返风气流；
所述控制单元（8）的输入端分别连接孔内参数监测单元（1）、进风参数监测单元（2）和返风参数监测单元（3），控制单元（8）的输出端分别连接压风冷却单元（4）和瓦斯抽吸单元（5），所述控制单元（8）用于根据孔内参数监测单元（1）、进风参数监测单元（2）、返风参数监测单元（3）反馈的参数结果来控制压风冷却单元（4）和瓦斯抽吸单元（5）的启停。
2.如权利要求1所述的煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统，其特征在于，所述进风参数监测单元（2）设置在进风管路（9）上；所述进风参数监测单元（2）包括第一管体（201）、第一采集器仓（202）、第一流量传感器（203）、压力传感器（204）、第三温度传感器（205）；所述第一管体（201）上设置有多个安装接口，分别用于连接第一流量传感器（203）、压力传感器（204）、第三温度传感器（205）；所述第一采集器仓（202）设置在第一管体（201）外壁上，第一采集器仓（202）内设置有进风参数采集模块（206）和进风参数信号传输模块（207），所述进风参数采集模块（206）分别连接第一流量传感器（203）、压力传感器（204）、第三温度传感器（205）。
3.如权利要求1所述的煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统，其特征在于，所述返风参数监测单元（3）设置在返风管路（10）上；所述返风参数监测单元（3）包括第二管体（301）、第二采集器仓（302）、一氧化碳浓度传感器（303）、甲烷浓度传感器（304）、第二流量传感器（305）、第四温度传感器（306）；所述第二管体（301）上设置有多个安装口，分别用于连接一氧化碳浓度传感器（303）、甲烷浓度传感器（304）、第二流量传感器（305）、第四温度传感器（306）；所述第二采集器仓（302）设置在第二管体（301）外壁上，第二采集器仓（302）内设置有返风参数采集模块（307）和返风参数信号传输模块（308），所述返风参数采集模块（307）分别连接一氧化碳浓度传感器（303）、甲烷浓度传感器（304）、第二流量传感器（305）、第四温度传感器（306）。
4.如权利要求3所述的煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统，其特征在于，所述返风参数监测单元（3）还包括粉尘传感器（309）和喷淋除尘装置（14），所述粉尘传感器（309）用于对返风中的粉尘进行监测。
5.如权利要求1所述的煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统，其特征在于，所述压风冷却单元（4）包括风筒（401）、换热器（402）、风扇叶轮（403）和带动风扇叶轮（403）转动的动力系统（404）；所述换热器（402）设置在风筒（401）一端，换热器（402）上设置有供进风气流流入、流出的进口和出口；所述风扇叶轮（403）设置在换热器（402）附近的风筒（401）内。
6.如权利要求1所述的煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统，其特征在于，所述控制单元（8）包括主控板（801）；信号隔离模块（802），用于对接收的信号进行隔离；恒压供电模块（803），用于为孔内参数监测单元（1）供电；信号载波模块（804），用于给孔内参数监测单元（1）发送信号；信号提取解调模块（805），用于对孔内参数监测单元（1）发送过来的信号进行提取；无线通讯接口（806），用于接收进风参数监测单元（2）和返风参数监测单元（3）发送的测量数据；有线通讯接口（807），用于与压风冷却单元（4）、瓦斯抽吸单元（5）采用信号电缆连接；供电通讯接口（808），用于接收孔内参数监测单元（1）发送的数据；存储器（809）。
7.如权利要求1所述的煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统，其特征在于，还包括应急处理单元（6），所述应急处理单元（6）设置在进风管路（9）上，用于对进风管路（9）上的气流进行卸压和水雾降温；所述应急处理单元（6）与控制单元（8）连接，控制单元（8）控制应急处理单元（6）的启动和关闭。
8.如权利要求7所述的煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统，其特征在于，所述应急处理单元（6）包括第三管体（601）、安全阀（602）和雾化器（603），所述第三管体（601）上设置有多个安装口，分别用于安装安全阀（602）和雾化器（603）。
9.如权利要求1所述的煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统，其特征在于，还包括报警器（7），报警器（7）与控制单元（8）连接，控制单元（8）控制报警器发出警报。
10.一种煤矿井下气体定向钻进用随钻监控方法，其特征在于，该方法采用权利要求1至9任一项所述的煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统，具体包括以下步骤：
步骤1，将孔内参数监测单元（1）与气动螺杆马达（11）连接，进风参数监测单元（2）、压风冷却单元（4）连接在进风管路（9）上，返风参数监测单元（3）、瓦斯抽吸单元（5）连接在返风管路（10）上；
步骤2，开风进行定向钻进，钻进过程中通过孔内参数监测单元（1）、进风参数监测单元（2）、返风参数监测单元（3）对各参数实时采集；
当进风参数监测单元（2）监测的进风流量低于设定值Q1或进风温度高于设定值T1时，停止钻进，检修高压供风装置；
当孔内参数监测单元（1）监测的钻杆内气流温度大于设定值T2时，控制单元（8）控制压风冷却单元（4）启动，对进风管路（9）上的进风气流进行降温；
当返风参数监测单元（3）监测的返风流量低于进风参数监测单元（2）监测的进风流量的80%时，停止钻进，加强钻孔排渣；
当返风参数监测单元（3）监测的甲烷浓度大于设定值C1时，停止钻进，控制单元（8）控制瓦斯抽吸单元（5）打开，抽走返风气体；
当单根钻杆施工完后，停止钻进和供风，利用孔内参数监测单元（1）监测钻孔的倾角、方位角和工具面向角，指导钻孔轨迹调整，直至完成钻孔施工。
11.如权利要求10所述的煤矿井下气体定向钻进用随钻监控方法，其特征在于，所述Q1=15m³/min，T1=85℃，T2=50℃，C1=0.8%。
12.如权利要求10所述的煤矿井下气体定向钻进用随钻监控方法，其特征在于，所述煤矿井下气体定向钻进用随钻监控系统还设置有应急处理单元（6），所述应急处理单元（6）设置在进风管路（9）上，用于对进风管路（9）上的气流进行卸压和水雾降温；所述应急处理单元（6）与控制单元（8）连接，控制单元（8）控制应急处理单元（6）的启动和关闭；
所述应急处理单元（6）包括第三管体（601）、安全阀（602）和雾化器（603），所述第三管体（601）上设置有多个安装口，分别用于安装安全阀（602）和雾化器（603）；
所述监控方法还包括：
当进风参数监测装置（2）测量的进风压力高于高压供风系统的最大耐压能力时，应急处理单元（6）对供风气流进行卸压，并停止钻进，检修高压供风装置；
当孔内参数监测单元（1）监测的钻杆外气流温度大于设定值T3或返风参数监测单元（3）监测的一氧化碳浓度高于设定值C2时，停止钻进，控制单元（8）控制应急处理单元（6）启动，对供风气流进行水雾降温。
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